CN113500173A - 中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法，利用主要由平衡块、角度指示板、指针、偏转轴承、测速棒五部分组成的测速装置，通过高温在线测量结晶器1/4宽度位置和距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，由此判定结晶器内的流场形态，并且建立这些流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系。由于氩气体积分数是根据连铸拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口的吹氩流量决定，这样对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，就建立了一种通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量可以准确控制结晶器内钢液流场形态的方法。

Description

中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法

技术领域

本发明涉及连铸工艺技术领域，特别涉及一种板坯结晶器钢液流场形态的控制方法。

背景技术

以汽车外板为代表的超低碳冷轧板、热镀锌板，生产技术涵盖了炼钢工序的铁水预处理、转炉、精炼、连铸和机清，以及后道工序的热轧、冷轧、热镀锌等过程工艺和表面质量控制技术。炼钢工序引起的汽车外板表面缺陷经过热轧、冷轧、热镀锌工序之后，在最终热镀锌板质检过程中才能检测出来，缺陷形成的历程长、经历的工序繁多，炼钢缺陷与热轧、冷轧和热镀锌工序产生的缺陷交织在一起，难以辨识和判定。还有从表面缺陷解析判别，到工艺改进，再到效果验证反馈整个流程周期长、对应性差。尤其是薄板表面炼钢缺陷的发生具有偶发性和随机性，导致缺陷识别、来源追溯以及针对性的工艺优化难度大。因此，以汽车外板为代表的超低碳冷轧板、热镀锌板炼钢引起的表面缺陷控制技术研究是一个难度大、综合性强的研发课题。

结晶器是钢液凝固前的最后环节，也是连铸过程中的核心部位，被称为连铸机的“心脏”。结晶器冶金是去除钢液中夹杂物的最后机会，所以，连铸结晶器又是炼钢引起汽车外板的表面缺陷控制的关键环节。当钢液从中间包经过浸入式水口进入结晶器后，在结晶器内完成初始凝固过程，形成具有一定厚度的初始凝固坯壳。由于初始凝固坯壳位于连铸坯的最外层，所以冷轧板产品的表面缺陷与初始凝固坯壳中是否捕捉保护渣卷渣、大型夹杂物以及气泡等缺陷密切相关。

本发明通过利用一种结晶器表面附近钢液流速的测量方法，高温在线测量结晶器1/4宽度位置和距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，由此判定结晶器内的流场形态，并且建立这些流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系。由于氩气体积分数是根据连铸拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口(简称水口)吹氩流量决定，这样对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，就形成了一种通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量可以准确控制结晶器内钢液流场形态的方法。这样可以优化结晶器内的钢液流场，进而降低超低碳钢冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板表面的炼钢引起的缺陷发生率。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种中等断面板坯结晶器流场的控制方法，该方法首先对板坯连铸结晶器1/4位置和距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液流速进行高温在线测量，从而判断结晶器内的钢液的流动形态，由此优化板坯结晶器内的钢液流场，对于超低碳钢冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板的炼钢引起的表面缺陷改善发挥重要作用。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

本发明方法通过对板坯连铸结晶器表面附近的钢液流速进行高温在线测量，从而判断结晶器内钢液的流动形态，并且建立这些流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系。由于氩气体积分数是根据拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口(简称水口)等吹氩流量决定，这样对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，就建立了一种通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量可以准确控制结晶器内钢液流场形态的方法。由此可以优化板坯结晶器内的钢液流场，对于超低碳冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板的炼钢引起的表面缺陷改善发挥重要作用。

图1是本发明测量装置示意图与速度测量棒受力分析。测量装置由平衡块、偏转角指示板、指示针、偏转轴承、速度测量棒五部分组成。测量时，将不锈钢制速度测量棒插入到结晶器液面以下，速度测量棒在钢液冲击力作用下发生偏转，在重力、钢液对速度测量棒的冲击力和浸入到钢液中的速度测量棒所受浮力作用下达到力矩平衡，因此可以得到以下力矩平衡式：

GL₁sinθ-F_fL₂sinθ＝F_DL₂cosθ (1)

其中G为重力(N)，L₁为重力的力臂(m)，θ为测速棒偏转角度，F_f为浮力(N)，F_D为测速棒所受钢液的冲击力，L₂为冲击力和浮力的力臂(m)，可以通过测量测速棒的浸入深度换算得到。

其中测速棒所受的浮力为：

F_f＝ρgV (2)

式中：ρ为钢液的密度(kg/m³)，V为测速棒浸入到钢液部分的体积(m³)，g为重力加速度(m/s²)。

钢液对测速棒的冲击力等于其绕流阻力，计算公式为：

其中：ρ为钢液的密度(kg/m³)，U₀为钢液的流速(m/s)，A为绕流物体在垂直于钢液流速方向的投影面积(m²)，C_D为绕流阻力系数。

测速棒的绕流阻力系数与雷诺数存在一定的关系，如图2所示。通过计算雷诺数可以得到测速棒的绕流阻力系数，代入公式(3)，计算出钢水冲击测速棒的绕流阻力的大小。

将绕流阻力的计算公式代入到测速棒的力矩平衡公式(1)，就计算出钢液的流速U₀，具体如下：

对于一根测速棒，通过多次测量读取该偏转角度和测速棒的插入钢液深度值，可以计算得出结晶器表面附近钢液流速的测量值。通过多根测速棒的流速测量值求平均，可以获得该连铸工艺条件下的结晶器表面附近钢液流速。

图3是结晶器内钢液流场形态的示意图。钢液通过浸入式水口进入结晶器后具有一定的动能。如图3(a)，当流股的冲击力很强，该流股沿水口倾角方向一般会冲击至结晶器窄面，分开为上、下两个流股，分别形成结晶器内的上回流区和下回流区，这种流场形态是典型的双循环流。如图3(b),当流股的冲击力很弱，或水口中吹入的氩气流量过大的情况下，该流股出了浸入式水口吐出口，很快就上升至结晶器表面，沿着结晶器表面朝着结晶器窄边方向流动，这样形成的流场形态为单循环流。如图3(c)，当流股的冲击力中等，该流股出了浸入式水口，冲击一定深度后在结晶器断面1/4位置附近上升至结晶器表面，这样形成的流场形态为非稳态流。这三种流场形态对于钢液中夹杂物上浮、保护渣卷渣、以及氩气泡捕捉等汽车外板表面缺陷的影响因素产生重要的影响。

通过高温在线测量1/4结晶器宽度位置和距离结晶器窄边10cm的结晶器宽度位置的结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，可以判定结晶器内的流场形态。假设结晶器表面附近钢液流向浸入式水口流速为正值，流向结晶器窄边流速为负值，则判定结晶器内的流场形态为如下流场形态中的一种：

第一种流场形态：当距离结晶器窄边1/4结晶器宽度位置和距离结晶器窄边10cm的结晶器位置结晶器表面附近钢液的平均流速均为正值时，结晶器内钢液流场形态为双循环流；

第二种流场形态：当距离结晶器窄边1/4结晶器宽度位置和距离结晶器窄边10cm的结晶器位置结晶器表面附近钢液的平均流速均为负值时，结晶器内钢液流场形态为单循环流；

第三种流场形态：当距离结晶器窄边1/4结晶器宽度位置结晶器表面附近钢液的平均流速为正值，距离窄边10cm的结晶器位置结晶器表面附近钢液的平均流速为负值时，结晶器内钢液流场形态为非稳态流。

所以，通过对结晶器表面附近钢液流速进行测量，可以判定结晶器内钢液的流场形态。本发明者经过长期的研究发现，这些流场形态与连铸的工艺参数，特别是连铸通钢量和水口氩气流量密切相关。本发明通过建立流场形态与连铸通钢量和水口氩气流量的定量关系，实现了通过控制连铸工艺参数精确调控结晶器流场形态的目的。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

一种中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法，利用由平衡块、偏转角指示板、指示针、偏转轴承、速度测量棒五部分组成的测速装置，所述偏转轴承的外圈与速度测量棒固定安装连接，所述平衡块作为速度测量棒进行偏转的重心调整配置部分，所述偏转角指示板和指针作为指示速度测量棒偏转角度的装置；进行钢液流场形态在线测量时，将速度测量棒插入到结晶器液面以下，速度测量棒在钢液流动冲击作用下发生偏转，在速度测量棒重力、钢液冲击力和浸入到钢液中的速度测量棒所受浮力的力矩平衡下形成一定的偏转角度；利用测速装置，通过高温在线测量结晶器1/4宽度位置和距离结晶器窄边10cm位置处的结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，由此判定结晶器内的流场形态，并且建立所述流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系；

由于氩气体积分数是根据连铸拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口吹氩流量决定，对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，建立通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量，来控制结晶器内钢液流场形态；

钢液中氩气的体积分数由下式确定：

其中α_Ar是钢液中氩气的体积分数，Q_Ar是氩气流量(L/min)，V_C是拉速(m/min)，W是结晶器宽度(m)，T是结晶器厚度(m)；β是氩气膨胀系数，氩气从室温进入钢液的膨胀系数为6.05；

通钢量由下式确定：

Q_steel＝ρ_steelWTV_C (Ⅱ)

其中Q_steel是通钢量(ton/min)，ρ_steel是钢液密度7.0ton/m³；

通过调节连铸拉速和水口吹氩流量，保持结晶器内各种流场形态的条件如下：

1)结晶器内的流场形态保持双循环流的条件是：

α_Ar≤3.79Q_steel-5.44；

2)结晶器内的流场形态保持非稳态流的条件是：

3.79Q_steel-5.44≤α_Ar≤5.81Q_steel-5.56

3)结晶器内的流场形态保持单循环流的条件是：

α_Ar≥5.81Q_steel-5.56。

优选地，本发明中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，为了降低超低碳冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板炼钢引起的表面缺陷发生率，保证结晶器内的流动形态为双循环流。

优选地，中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，所述中等断面板坯结晶器的连铸的铸坯的断面尺寸长×宽为1200～1600mm×200～300mm。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明通过对板坯连铸结晶器1/4宽度位置和距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液流速大小和方向进行高温在线测量，从而判定结晶器内钢液的流动形态。建立了不同通钢量和氩气体积分数条件与结晶器内流场的形态之间的关系，由此可以优化板坯结晶器内的钢液流场，对于超低碳钢冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板的炼钢引起的表面缺陷的改善发挥重要作用；

2.本发明能为提高汽车外板表面质量提供基础技术贡献，通过调整控制连铸工艺条件可以保证结晶器内的流场形态为双循环流，从而显著地降低炼钢引起的汽车外板表面缺陷的发生率；

3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1是本发明方法采用的测量装置示意图与测速棒受力分析简图。

图2是本发明方法判断基于的圆柱绕流阻力系数与雷诺数的关系曲线图。

图3是本发明方法判定的结晶器内的流动形态类别示意图。

图4是本发明实施例四方法判定的不同通钢量和氩气体积分数条件下结晶器内的流场形态图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

如表1所示，在结晶器宽度为1230mm，厚度为230mm，浸入式水口插入深度为170mm，测速棒采用直径为10mm不锈钢棒的条件下，在拉速为1m/min，通钢量为1.98ton/min的条件下，当氩气流量为1,3,4L/min时，为对应钢液中的含气率分别为2.1，6.0，7.8％。

当氩气流量为1L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1681m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为0.0946m/s，两者都为正值，都是朝着浸入式水口方向流动，所以，结晶器内的流场形态为双循环流。

当氩气流量为3L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.0873m/s，因为是正值，所以是朝着浸入式水口方向流动；距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.0976m/s，因为是负值，所以是朝着窄边方向流动。两者流动方向相反，所以，结晶器内的流场形态为非稳态流。

当氩气流量为4L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.0165m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.145m/s，两者都为负值，都是朝着窄边方向流动，所以，结晶器内的流场形态为单循环流。

实施例二

在本实施例中，如表1所示，在结晶器宽度为1230mm，厚度为230mm，浸入式水口插入深度为170mm，测速棒采用直径为10mm的不锈钢棒的条件下，在拉速为1.3m/min，通钢量为2.57ton/min的条件下，当氩气流量为1,4,7L/min时，对应钢液中的含气率分别为1.6，6.1，10.2％。

当氩气流量为1L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.2032m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1402m/s，两者都为正值，都是朝着浸入式水口方向流动，所以，结晶器内的流场形态为双循环流。

当氩气流量为4L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.0538m/s，因为是正值，所以是朝着浸入式水口方向流动；距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.079m/s，因为是负值，所以是朝着窄边方向流动。两者流动方向相反，所以，结晶器内的流场形态为非稳态流。

当氩气流量为7L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.048m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.095m/s，两者都为负值，都是朝着窄边方向流动，所以，结晶器内的流场形态为单循环流。

实施例三

在本实施例中，如表1所示，在结晶器宽度为1230mm，厚度为230mm，浸入式水口插入深度为170mm，测速棒采用直径为10mm的不锈钢棒的条件下，在拉速为1.5m/min，通钢量为2.97ton/min的条件下，当氩气流量为1,4,7,10L/min时，对应钢液中的含气率分别为1.4，5.4，9.0,12.4％。

当氩气流量为1L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1452m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为0.2381m/s，两者都为正值，都是朝着浸入式水口方向流动，所以，结晶器内的流场形态为双循环流。

当氩气流量为4L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.2020m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1233m/s，两者都为正值，都是朝着浸入式水口方向流动，所以，结晶器内的流场形态为双循环流。

当氩气流量为7L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.0943m/s，因为是正值，所以是朝着浸入式水口方向流动；距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.106m/s，因为是负值，所以是朝着窄边方向流动。两者流动方向相反，所以，结晶器内的流场形态为非稳态流。

当氩气流量为10L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.15m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.041m/s，两者都为负值，都是朝着窄边方向流动，所以，结晶器内的流场形态为单循环流。

实施例四

在本实施例中，一种中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法，利用由平衡块、偏转角指示板、指示针、偏转轴承、速度测量棒五部分组成的测速装置，所述偏转轴承的外圈与速度测量棒固定安装连接，所述平衡块作为速度测量棒进行偏转的重心调整配置部分，所述偏转角指示板和指针作为指示速度测量棒偏转角度的装置；进行钢液流场形态在线测量时，将速度测量棒插入到结晶器液面以下，速度测量棒在钢液流动冲击作用下发生偏转，在速度测量棒重力、钢液冲击力和浸入到钢液中的速度测量棒所受浮力的力矩平衡下形成一定的偏转角度；其特征在于：利用测速装置，通过高温在线测量结晶器1/4宽度位置和距离结晶器窄边10cm位置处的结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，由此判定结晶器内的流场形态，并且建立所述流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系；由于氩气体积分数是根据连铸拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口吹氩流量决定，对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，建立通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量，来控制结晶器内钢液流场形态；

钢液中氩气的体积分数由下式确定：

其中α_Ar是钢液中氩气的体积分数，Q_Ar是氩气流量(L/min)，V_C是拉速(m/min)，W是结晶器宽度(m)，T是结晶器厚度(m)；β是氩气膨胀系数，氩气从室温进入钢液的膨胀系数为6.05；

通钢量由下式确定：

Q_steel＝ρ_steelWTV_C (Ⅱ)

其中Q_steel是通钢量(ton/min)，ρ_steel是钢液密度7.0ton/m³；

通过调节连铸拉速和水口吹氩流量，保持结晶器内各种流场形态的条件如下：

1)结晶器内的流场形态保持双循环流的条件是：

α_Ar≤3.79Q_steel-5.44；

2)结晶器内的流场形态保持非稳态流的条件是：

3.79Q_steel-5.44≤α_Ar≤5.81Q_steel-5.56

3)结晶器内的流场形态保持单循环流的条件是：

α_Ar≥5.81Q_steel-5.56。

为了降低超低碳冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板炼钢引起的表面缺陷发生率，保证结晶器内的流动形态为双循环流。

在本实施例中，如表1所示，在结晶器宽度为1230mm，厚度为230mm，浸入式水口插入深度为170mm，测速棒采用直径为10mm的不锈钢棒的条件下，在拉速为2.0m/min，通钢量为3.96ton/min的条件下，当氩气流量为10,15,20,25L/min时，对应钢液中的含气率分别为9.6,13.7,17.5,21.0％。

当氩气流量为10L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1894m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1473m/s，两者都为正值，都是朝着浸入式水口方向流动，所以，结晶器内的流场形态为双循环流。

当氩气流量为15L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1547m/s，因为是正值，所以是朝着浸入式水口方向流动；距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.034m/s，因为是负值，所以是朝着窄边方向流动。两者流动方向相反，所以，结晶器内的流场形态为非稳态流。

当氩气流量为20L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为0.1134m/s，因为是正值，所以是朝着浸入式水口方向流动；距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.097m/s，因为是负值，所以是朝着窄边方向流动。两者流动方向相反，所以，结晶器内的流场形态为非稳态流。

当氩气流量为25L/min时，结晶器1/4宽度位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.109m/s，距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速为-0.135m/s，两者都为负值，都是朝着窄边方向流动，所以，结晶器内的流场形态为单循环流。

图4是不同通钢量，不同氩气体积分数条件下，由结晶器表面附近钢液流速测量结果判定的结晶器内所处的不同流场形态区域。。

当拉速为1.0m/min,通钢量为1.98ton/min，氩气流量为1,3,4L/min,对应的氩气含气率为2.1,6.0,7.8％，结晶器内的流场形态分别处于双循环流区域，非稳态流区域和单循环流区域。

当拉速为1.3m/min,通钢量为2.57ton/min，氩气流量为1,4,7L/min,对应的氩气含气率为1.6,6.1,10.2％，结晶器内的流场形态分别处于双循环流区域，非稳态流区域和单循环流区域。

当拉速为1.5m/min,通钢量为2.97ton/min，氩气流量为1,4,7,10L/min,对应的氩气含气率为1.4,5.4,9.0,12.4％，结晶器内的流场形态分别处于双循环流区域，双循环流区域，非稳态流区域和单循环流区域。

当拉速为2.0m/min,通钢量为3.96ton/min，氩气流量为10,15,20,25L/min,对应的氩气含气率为9.6,13.7,17.5,21.0％，结晶器内的流场形态分别处于双循环流区域，非稳态流区域，非稳态流区域和单循环流区域。

从图4结果可以看出，双循环流区域，非稳态流区域和单循环流区域与连铸结晶器通钢量和钢液中氩气的体积分率有着显著的相关关系。结晶器内流场保持各种流场区域的条件如下。

1)结晶器内的流场形态保持双循环流的条件是：

α_Ar≤3.79Q_steel-5.44

2)结晶器内的流场形态保持非稳态流的条件是：

3.79Q_steel-5.44≤α_Ar≤5.81Q_steel-5.56

3)结晶器内的流场形态保持单循环流的条件是：

α_Ar≥5.81Q_steel-5.56

其中α_Ar是钢液中氩气的体积分数，由式(1)确定，

其中Q_Ar是氩气流量(L/min)，V_C是拉速(m/min)，W是结晶器宽度(m)，T是结晶器厚度(m)。β是氩气膨胀系数，氩气从室温进入钢液的膨胀系数为6.05。

为了降低超低碳冷轧板、热镀锌板、特别是汽车外板炼钢引起的表面缺陷发生率，必须保证结晶器内的流场形态为双循环流。

表1各连铸工艺条件下的表面流速与流动形态

综上所述，上述实施例中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法，利用主要由平衡块、角度指示板、指针、偏转轴承、测速棒五部分组成的测速装置，通过高温在线测量结晶器1/4宽度位置和距离窄边10cm位置结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，由此判定结晶器内的流场形态，并且建立这些流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系。由于氩气体积分数是根据连铸拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口(简称水口)等吹氩流量决定，这样对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，就建立了一种通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量可以准确控制结晶器内钢液流场形态的方法。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种中等断面板坯结晶器钢液流场形态的控制方法，利用由平衡块、偏转角指示板、指示针、偏转轴承、速度测量棒五部分组成的测速装置，所述偏转轴承的外圈与速度测量棒固定安装连接，所述平衡块作为速度测量棒进行偏转的重心调整配置部分，所述偏转角指示板和指针作为指示速度测量棒偏转角度的装置；进行钢液流场形态在线测量时，将速度测量棒插入到结晶器液面以下，速度测量棒在钢液流动冲击作用下发生偏转，在速度测量棒重力、钢液冲击力和浸入到钢液中的速度测量棒所受浮力的力矩平衡下形成一定的偏转角度；其特征在于：利用测速装置，通过高温在线测量结晶器1/4宽度位置和距离结晶器窄边10cm位置处的结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，由此判定结晶器内的流场形态，并且建立所述流动形态与连铸通钢量和钢液中氩气体积分数之间的定量关系；

由于氩气体积分数是根据连铸拉速、结晶器的断面宽度和厚度，以及浸入式水口与上水口吹氩流量决定，对于一定断面宽度和厚度的连铸结晶器，建立通过调节连铸通钢量和水口吹氩流量，来控制结晶器内钢液流场形态；

钢液中氩气的体积分数由下式确定：

其中α_Ar是钢液中氩气的体积分数，Q_Ar是氩气流量(L/min)，V_C是拉速(m/min)，W是结晶器宽度(m)，T是结晶器厚度(m)；β是氩气膨胀系数，氩气从室温进入钢液的膨胀系数为6.05；

通钢量由下式确定：

Q_steel＝ρ_steelWTV_C (Ⅱ)

其中Q_steel是通钢量(ton/min)，ρ_steel是钢液密度7.0ton/m³；

通过调节连铸拉速和水口吹氩流量，保持结晶器内各种流场形态的条件如下：

1)结晶器内的流场形态保持双循环流的条件是：

α_Ar≤3.79Q_steel-5.44；

2)结晶器内的流场形态保持非稳态流的条件是：

3.79Q_steel-5.44≤α_Ar≤5.81Q_steel-5.56

3)结晶器内的流场形态保持单循环流的条件是：

α_Ar≥5.81Q_steel-5.56。

2.根据权利要求1所述中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，其特征在于：为了降低超低碳冷轧板、热镀锌板特别是汽车外板炼钢引起的表面缺陷发生率，保证结晶器内的流动形态为双循环流。

3.根据权利要求1所述中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，其特征在于：力矩平衡式如下：

GL₁sinθ-F_fL₂sinθ＝F_DL₂cosθ (Ⅲ)

其中G为重力(N)，L₁为重力的力臂(m)，θ为测速棒偏转角度，F_f为浮力(N)，F_D为速度测量棒所受钢液的冲击力，L₂为冲击力和浮力的力臂(m)，通过测量速度测量棒的浸入深度换算得到；

其中，测速棒所受的浮力为：

F_f＝ρgV (Ⅳ)

式中，ρ为钢液的密度(kg/m³)，V为测速棒浸入到钢液部分的体积(m³)，g为重力加速度(m/s²)；

钢液对速度测量棒的冲击力等于其绕流阻力，计算公式为：

其中，ρ为钢液的密度(kg/m³)，U₀为钢液的流速(m/s)，A为绕流物体在垂直于钢液流速方向的投影面积(m²)，C_D为绕流阻力系数；

速度测量棒的绕流阻力系数与雷诺数存在一定的关系，通过计算雷诺数得到速度测量棒的绕流阻力系数，代入公式(Ⅴ)，计算出钢水冲击测速棒的绕流阻力的大小；

将绕流阻力的计算公式代入到测速棒的力矩平衡公式(Ⅲ)，计算出钢液的流速U₀，具体如下：

4.根据权利要求3所述中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，其特征在于：对于一根测速棒，通过多次测量读取速度测量棒的偏转角度和速度测量棒的插入钢液深度值以计算得出结晶器表面附近钢液流速的测量值；或者，通过多根测速棒的流速测量值求平均，获得在相同的连铸工艺条件下的结晶器表面附近钢液流速。

5.根据权利要求3所述中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，其特征在于：通过高温在线测量1/4结晶器宽度位置和距离结晶器窄边10cm的结晶器宽度位置的结晶器表面附近钢液的流速大小和方向，判定结晶器内的流场形态；假设结晶器表面附近钢液流向浸入式水口流速为正值，流向结晶器窄边流速为负值，则判定结晶器内的流场形态为如下流场形态中的任意一种：

第一种流场形态：当距离结晶器窄边1/4结晶器宽度位置和距离结晶器窄边10cm的结晶器位置结晶器表面附近钢液的平均流速均为正值时，结晶器内钢液流场形态为双循环流；

第二种流场形态：当距离结晶器窄边1/4结晶器宽度位置和距离结晶器窄边10cm的结晶器位置结晶器表面附近钢液的平均流速均为负值时，结晶器内钢液流场形态为单循环流；

第三种流场形态：当距离结晶器窄边1/4结晶器宽度位置结晶器表面附近钢液的平均流速为正值，距离窄边10cm的结晶器位置结晶器表面附近钢液的平均流速为负值时，结晶器内钢液流场形态为非稳态流。

6.根据权利要求1所述中等断面板坯结晶器流场形态的控制方法，其特征在于：所述中等断面板坯结晶器的连铸的铸坯的断面尺寸长×宽为1200～1600mm×200～300mm。

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